泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系第一部分（第一部分（2）直流电机直流电机泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系直流电机的基本工作原理和结构直流电机的基本工作原理和结构直流电机的主要直流电机的主要【结构结构】主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极换向磁极：改善换向。：改善换向。电刷装置电刷装置：与换向片配合：与换向片配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用。起支撑和固定作用。电枢铁心电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器换向器：与电刷装置配合：与电刷装置配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换转轴转轴轴承轴承定定子子转转子子直直流流电电机机泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系直流电机的基本工作原理和结构直流电机的基本工作原理和结构 直流电机的工作原理直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理直流发电机直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。是将机械能转变成电能的旋转机械。 右图右图为为直流发电机的物理模型，直流发电机的物理模型，N N、S S为定子磁极，为定子磁极，abcdabcd是固定在可是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端枢。线圈的首末端a a、d d连接到两个连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。电刷进行的。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 当原动机驱动当原动机驱动电机转子逆时针旋电机转子逆时针旋转时同，线圈转时同，线圈abcdabcd将感应电动势。如将感应电动势。如右图，导体右图，导体abab在在N N极极下，下，a a点高电位，点高电位，b b点低电位；导体点低电位；导体cdcd在在S S极下，极下，c c点高电点高电位，位，d d点低电位；电点低电位；电刷刷A A极性为正，电刷极性为正，电刷B B极性为负。极性为负。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转 后，如右图后，如右图。 导体导体abab在在S S极下，极下，a a点低电位，点低电位，b b点高电位；导体点高电位；导体cdcd在在N N极下，极下，c c点点低电位，低电位，d d点高电位；电刷点高电位；电刷A A极性极性仍为正，电刷仍为正，电刷B B极性仍为负。极性仍为负。 与电刷与电刷A A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N N极下，与电刷极下，与电刷B B接触的导体总是位接触的导体总是位于于S S极下极下, ,电刷电刷A A的极性总是正的，的极性总是正的，电刷电刷B B的极性总是负的，在电刷的极性总是负的，在电刷A A、B B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N N、S S极交替旋转多对。极交替旋转多对。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系二、直流电动机工作原理 直流电动机直流电动机是将电能转变是将电能转变成机械能的旋转机械。成机械能的旋转机械。 把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，接到直流电源上，电刷电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此接负极。此时电枢线圈中将电流流过。时电枢线圈中将电流流过。 在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力受力方向从右向左，方向从右向左，S S 极下导极下导体体cdcd受力方向从左向右。该电磁受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。转子逆时针方向旋转。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 当电枢旋转到右图所示位置时当电枢旋转到右图所示位置时 原原N N极性下导体极性下导体abab转到转到S S极极下，受下，受力力方向从左向右，原方向从左向右，原S S 极下导体极下导体cdcd转到转到N N极下，受力方极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。下继续逆时针方向旋转。 与直流发电机相同，实际的与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。磁极也并非一对。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系直流电直流电动机的动机的工作原工作原理示意理示意图图: :泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据额定条件下电机所额定条件下电机所能提供的功率能提供的功率指电刷间输出的额指电刷间输出的额定电功率定电功率发电机发电机指轴上输出的指轴上输出的机械功率机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线在额定工况下，电机出线端的平均电压端的平均电压在额定电压下，运行于额定在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流功率时对应的电流对应于额定电压、额定电流、额定转速对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流及额定功率时的励磁电流在额定电压、额定电流下，运行于额在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速定功率时对应的转速. .电机铭牌上还标有其它数电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。期、出厂编号等。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 电机运行时电机运行时:所有物理量与额定值相同所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态电机运行于额定状态电机的运行电流小于额定电流电机的运行电流小于额定电流欠载运行欠载运行运行电流大于额定电流运行电流大于额定电流过载运行过载运行 长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状电机最好运行于额定状态或额定状态附近态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。能等比较好。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 直流电机的电枢绕组简介直流电机的电枢绕组简介一、直流枢绕组基本知识一、直流枢绕组基本知识元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。一根称为首端，另一根称为末端。极极距距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。表示。叠叠绕组绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。第一节距第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系第二节距第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离层边与第二个元件的上层边间的距离。合成节距合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。单单波绕组波绕组单叠单叠绕组绕组换向节距换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。同一元件首末端连接的换向片之间的距离。二、二、 单叠绕组单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件单叠绕组的特点是相邻元件( (线圈线圈) )相互叠压相互叠压, ,合成节距与换向节合成节距与换向节距均为距均为1,1,即：即： 。 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。电刷间的相对位置关系。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图: :单叠绕组的的特点单叠绕组的的特点：1 1）同一主磁极下的元件）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。数与支路数相同。2 2）电刷数等于主磁极数，）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。并联支路电动势。3 3）电枢电流等于各支路）电枢电流等于各支路电流之和。电流之和。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系三、三、 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应电枢反应。 1.3.1直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场 右右图为一台四极图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流，流过电流 ，每极的励，每极的励磁磁动势为：磁磁动势为：泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路磁力线由磁力线由N N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S S极，再极，再经定子铁轭回到经定子铁轭回到N N极极主磁通主磁通主主磁路磁路 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电动势或产生电磁转矩电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得小得多，大约是主磁通的多，大约是主磁通的20%20%。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。大小和形状。 磁极中心及附近的气磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通几何中性线处，气隙磁通密度为零。密度为零。几何中性线几何中性线极靴极靴极身极身（a）气隙形状气隙形状泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 空载时的气隙磁通密度为空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图一平顶波，如下图(b) (b) 所示。所示。 空载时主磁极磁通的分空载时主磁极磁通的分布情况，如右图布情况，如右图(c) (c) 所示。所示。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 为了感应电动势或产生电磁转为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通的每极磁通 ，空载时，气隙磁，空载时，气隙磁通通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁或空载励磁电流电流 的关系，称为的关系，称为直流电机的空直流电机的空载磁化特性载磁化特性。如右图所示。如右图所示。 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁一般直流电机额定运行时，额定磁通通 设定在图中设定在图中 A A点点，即在磁化特，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。性曲线开始进入饱和区的位置。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系1.3.21.3.2 直流电机负载时的负载磁场直流电机负载时的负载磁场 直流电机带上负载后，电枢绕组直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称中有电流，电枢电流产生的磁动势称为为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的出现使。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。电机的磁场发生变化。 右右图为一台电刷放在图为一台电刷放在几何中性几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。情况。 假设励磁电流为零，只有电枢电假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为为交轴磁动势交轴磁动势。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 如果认为直流电机电枢上如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈分布呈三角波三角波，如图中，如图中 所所示。示。 由于主磁极下气隙长度基由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的为对称的马鞍型马鞍型，如图中，如图中 所示。所示。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系1.3.3 1.3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，电当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的。电枢反应与电刷的位置有关。位置有关。1 1、当当电刷在电刷在几何中性线上时几何中性线上时，将，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（如图（a a）所示。所示。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线主磁场的主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线两条曲线逐点叠加后得两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线通密度分布曲线泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：1)1)、使气隙磁场发生畸变、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载角，磁通密度的曲线与空载时不同。时不同。 2)2)、对主磁场起去磁作用、对主磁场起去磁作用 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，每极的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为性线时的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系四、四、 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩1.1. 直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势产生产生:电枢旋转时电枢旋转时, ,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。电动势。大小大小: :)(电动势常数电动势常数为电机的结构常数为电机的结构常数其中其中可见可见, ,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。性质性质: : 发电机发电机电源电势电源电势( (与电枢电流同方向与电枢电流同方向);); 电动机电动机反电势反电势( (与电枢电流反方向与电枢电流反方向).).泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系2. 2. 直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时, ,在磁场内受电磁力的作用在磁场内受电磁力的作用, ,该该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小大小: :为电机的转矩常数，有为电机的转矩常数，有其中其中 可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比流成正比性质性质: : 发电机发电机制动制动( (与转速方向相反与转速方向相反) )； 电动机电动机驱动驱动( (与转速方向相同与转速方向相同) )。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系 供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。分为。分为他励他励和和自励自励两大类，自励方式又分两大类，自励方式又分并励并励、串励串励和和复励复励三种方式。三种方式。1 1、他励、他励：直流电机的励磁电流直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。由其它直流电源单独供给。 他他励励直流发电机的电枢电流直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：和负载电流相同，即：直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系2 2、并励：、并励：发电机的励磁绕组与电发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足枢绕组并联。且满足3 3、串励：、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。满足满足泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系4 4、复励：、复励： 并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。泸州职业技术学院电子工程系泸州职业技术学院电子工程系